CN106825806B - 一种磁场引导电解电火花复合加工弯孔的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场引导电解电火花复合加工弯孔的装置及方法，本发明适用于非导磁材料的微细加工属于制造技术中特种加工领域；该装置及方法中引导环包括左右两侧电磁装置，左右电磁装置由数控稳压电源加载电压产生异性磁场，引导环安装在滑轨中持续向电极输出磁场力；工具电极因受磁场力在万向节中产生摆角，柔性胶管在竖直进给电机驱动下随工具电极摆动方向进给，工具电极电化学放电在此方向蚀除工件材料；装置中循环泵将电解液输送至柔性胶管，并通过万向节预留微孔流至电极，达到排屑和补充电解液的目的；装置中计算机通过调节数控稳压电源的输出电压控制磁场强度，通过控制卡片控制转角步进电机的转速和转角以及竖直进给电机的进给速度。

Description

一种磁场引导电解电火花复合加工弯孔的装置及方法

技术领域

本发明涉及制造技术中的特种加工领域，特指一种磁场引导电解电火花复合加工弯孔的装置及方法。

背景技术

随着工业的发展和生活水平的提高，人们对高精度注塑零件需求不断增加，这就对注塑模具行业中模具精度有了更高的要求。然而冷却过程中精确的温度控制却成了注塑模具精度继续提高的障碍，目前研究表明具有弯孔冷却道的模具与组合冷却道模具相比，具有工作寿命长、温度控制精确及注塑零件质量好等特点，但冷却道弯孔的加工却是一个绕不开的难题。如果冷却道弯孔的加工问题得到解决，那么精密注塑行业将迎来新的发展机遇。

另一方面，MEMS是指将微结构的传感技术、致动技术和微电子控制技术集成于一体，形成同时具有“传感～计算(控制)～执行”功能的智能微型装置或***。微机电***通过微型化和集成化来构建微观新的结构、新的工作原理、新的功能，在微纳传感器、微执行器、微机器人、微飞行器、微动力能源***、微型生物芯片等方面都有应用，而这些应用又必须以相应的加工技术为前提，因为微机电***常常需要在材料上制作出微孔、二维乃至复杂三维型腔等微结构，作为***间电路或者流体的通道。因此如果没有成熟的弯孔加工工艺，微机电***的大规模工业应用只能是纸上谈兵。

由于受到空间结构尺寸的限制，传统的加工刀具无法进入弯曲孔的内部，造成弯孔的内表面难以加工，对于精加工及其光整更是无从下手。即使是人力手工作业，也非常困难，这为弯曲孔内表面的机械加工带来很大的技术挑战。由此，弯孔加工这个技术难题也越来越受到学术界的关注。自上世纪80年代以来,就有专家学者致力于弯孔加工技术的研究，较多的是采用特种加工的方法，其中大多采用电火花放电蚀除法。

电火花放电蚀除加工是分别把工件和工具作为两个电极，利用两极间脉冲火花放电产生的热能，熔化、蒸发和抛出工件电极材料，达到加工工件的目的。目前电火花放电蚀除加工弯孔方法主要有：利用处于压缩状态的弹簧以不同曲率弯曲伸长驱动电极加工法、利用形状记忆合金作弯曲导向的方法、使用柔性电极头电解加工方法等。利用处于压缩状态的弹簧以不同曲率弯曲伸长驱动电极加工法能够按照预定的方向加工出弯孔，但是存在加工效率低以及弹簧无规则振动的问题，从而影响所加工孔的粗糙度和精度。利用形状记忆合金作弯曲导向的方法依据记忆合金受热变形的原理也可以加工弯孔，但加工过程中电极头极易失稳，所加工弯孔的形状、精度及内表面的质量都得不到保证。柔性电极头电解加工方法通过改变供电导线的拉力或电解液的反冲力使柔性管转弯，从而控制柔性电极头加工出弯孔，这种方法装置简单、成本低、加工过程相对容易控制，但仍存在加工间隙难以控制、易短路的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述的困难，提出了一种磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置及方法，本发明利用钢制电极在磁场中受力摆动，柔性胶管可弹性变形以向电极摆动方向进给，工具电极被电解反应产生的气层隔开出现电化学放电从而蚀除材料的原理进行弯孔加工。同时引导环持续输出磁场力，控制电极摆角，循环泵不断将电解液输送至加工区域，保证加工的可持续性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置，包括电解电火花加工***、引导磁场控制***和电解液循环***；所述电解电火花加工***包括竖直进给电机、工具电极、万向节、可调脉冲电源、辅助电极、控制卡片和计算机；所述工具电极通过万向节与电解液循环***中的柔性胶管下端连接；所述柔性胶管与万向节连接处开设有微孔；所述工具电极连接可调脉冲电源负极，所述辅助电极连接可调脉冲电源正极，所述辅助电极置于引导磁场控制***中的水槽内；所述竖直进给电机与所述控制卡片相连，所述控制卡片与所述计算机相连；所述的引导磁场控制***包括引导环、转角步进电机、竖直进给电机、连杆、数控稳压电源、滑轨、水槽；所述引导环安装在滑轨内侧壁上并可沿滑轨滑动，引导环通过连杆与所述转角步进电机相连，且引导环可通过连杆随转角步进电机转动；所述滑轨安装在水槽底部，所述转角步进电机安装在所述竖直进给电机上并通过所述控制卡片与计算机相连；所述电解液循环***包括柔性胶管、循环泵、电解液；所述循环泵将电解液输送至所述柔性胶管中，所述柔性胶管置于引导环的正上方；所述柔性胶管中的电解液透过所述微孔流向加工区域。

进一步的，所述柔性胶管的下方有工件，工件置于水槽内。

进一步的，所述工件为非导磁材料，所述工具电极为钢制锥形电极，所述辅助电极为石墨电极，所述电解液为碱性溶液，所述工具电极需浸入电解液，所述柔性胶管直径为1～5mm且能够发生弹性形变，所述可调脉冲电源电压0～60V，频率1～5000Hz，占空比0～100％。

进一步的，所述万向节包络工具电极锥形底面，所述工具电极可在所述万向节中自由摆动。

进一步的，所述引导环包括左侧电磁装置与右侧电磁装置；所述左侧电磁装置与右侧电磁装置径向对称且由所述数控稳压电源加载电压产生异性磁场，所述数控稳压电源输出电压由计算机控制。

进一步的，所述计算机通过所述控制卡片控制所述转角步进电机的转速和转角以及所述竖直进给电机的进给速度。

进一步的，所述工具电极经过磁化处理，锥形底部和顶部磁性相反，锥度为1:2～1:8，磁性相反从而使得工具电极的上下受力不同，从而有利于弯孔的形成。

基于磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置的方法，包括以下步骤：

步骤S1：将可调脉冲电源分别与工具电极和辅助电极相连并加载电压，将数控稳压电源与引导环相连，由计算机控制数控稳压电源输出电压；

步骤S2：工具电极出现电化学放电蚀除材料，引导环中的左侧电磁装置与右侧电磁装置由所述数控稳压电源加载电压后产生异性磁场，引导环随转角步进电机转动，工具电极因受到定向磁场力而产生摆角；

步骤S3：在计算机控制下竖直进给电机驱动柔性胶管随工具电极指向进给，工具电极朝向摆动方向蚀除材料；

步骤S4：设立数据库，根据所述工件材料不同设置不同的竖直进给速度，根据工具电极的尺寸设置数控稳压电源不同的输出电压；

步骤S5：在电化学放电加工过程中，所述循环泵将水槽中的电解液输送至柔性胶管中，电解液透过微孔流至加工区域。

进一步的，所述步骤S2中，所述引导环可在滑轨中上下、周向滑动，与工具电极保持同一高度。

进一步的，所述步骤S3中，所述柔性胶管可以弹性变形从而向工件弯孔方向进给。

本发明解决上述问题的技术方案是：

1.组建电解电火花加工***，给工具电极和辅助电极加载电压后，工具电极产生电化学放电，竖直步进电机在计算机控制下向下进给，使柔性胶管向工具电极指向挺近，并使工具电极在此方向蚀除工件材料。

2.组建引导磁场控制***，数控稳压电源向引导环加载电压后，左右两侧电磁装置产生异性磁场，引导环在转角步进电机驱动下转至所需角度，从而使工具电极定向摆动。

3.组建电解液循环***，在加工过程中循环泵不断将水槽中电解液输送至柔性胶管，电解液透过微孔流向工具电极加工区域。

本发明有益效果是：

1.通过电解电火花加工***，工具电极与工件之间的加工间隙不需要精确控制，避免了短路现象，提高了加工稳定性。

2.所述引导磁场控制***中，引导环与转角步进电机和竖直步进电机相连可沿滑轨上下滑动，与工具电极保持同一高度，从而持续输出磁场力，并且引导环可随转角步进电机转动，使工具电极出现所需摆角，增加了加工的灵活性。

3.所述磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置中，计算机可以控制转角步进电机的转速和转角、数控稳压电源的输出电压以及竖直进给电机的进给速度，保证了所加工弯孔的加工精度。

4.通过电解液循环***，可以不断带走蚀除的碎屑和废弃电解液，使加工过程可以持续下去。

附图说明

图1是磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置的示意图；

图2是装置中工具电极与引导环相对位置的示意图。

附图标记如下：

1.计算机，2.控制卡片，3.竖直步进电机，4.转角步进电机，5.连杆，6.柔性胶管，7.可调脉冲电源，8.滑轨，9.电解液，10.水槽，11.辅助电极，12.引导环，13.数控稳压电源，14.工件，15.循环泵，16.微孔，17.左侧电磁装置，18.磁场，19.右侧电磁装置，20.工具电极，21.万向节。

具体实施方式

实施例：下面结合图1和图2详细说明本发明方法和装置的使用细节和工作情况。

其中电解液9为碱性溶液，工具电极20采用钢制锥形电极，工件14为非导磁材料，辅助电极11采用石墨电极；工具电极20锥形顶部需浸入电解液9，锥形底部可在万向节21中自由转动，可调脉冲电源7电压0～60V，频率1～5000Hz，占空比0～100％。

本发明使用方法如下：

将滑轨8安装在水槽10上，将左侧电磁装置17和右侧电磁装置19组成的引导环12安装在滑轨8上并通过连杆5与转角步进电机4相连；可调脉冲电源7在工具电极20和辅助电极11之间加载电压，构成电解电火花回路产生火花放电并蚀除工件14材料；由计算机1控制数控稳压电源13输出电压，左侧电磁装置17和右侧电磁装置19由数控稳压电源13加载电压后发出异性磁场18，转角步进电机4在计算机1控制下驱动引导环12转至特定角度，磁场18也随之转至同一角度，工具电极20在磁场力作用下摆向这一角度，柔性胶管6在竖直步进电机3驱动下向工具电极20摆动方向进给，电化学放电在特定方向蚀除材料在工件14上加工出弯孔。

将计算机1分别与控制卡片2和数控稳压电源13连接，根据被加工工件14材料的不同，控制竖直步进电机3不同的进给速度；根据所要加工弯孔的尺寸控制转角步进电机4的转角；根据工具电极20的尺寸控制数控稳压电源13的输出电压。

将循环泵15与水槽10中的电解液9与柔性胶管6相连，循环泵15将电解液9输送至柔性胶管6中，电解液9经过微孔16流向工具电极20的加工区域，微孔16的作用为了补充工具电极20处的电解液，从而使得加工持续进行。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置，包括电解电火花加工***、引导磁场控制***和电解液循环***；其特征在于：

所述电解电火花加工***包括竖直进给电机(3)、工具电极(20)、万向节(21)、可调脉冲电源(7)、辅助电极(11)、控制卡片(2)和计算机(1)；所述工具电极(20)通过万向节(21)与电解液循环***中的柔性胶管(6)下端连接；所述柔性胶管(6)与万向节(21)连接处开设有微孔(16)；所述工具电极(20)连接可调脉冲电源(7)负极，所述辅助电极(11)连接可调脉冲电源(7)正极，所述辅助电极(11)置于引导磁场控制***中的水槽(10)内；所述竖直进给电机(3)与所述控制卡片(2)相连，所述控制卡片(2)与所述计算机(1)相连；

所述的引导磁场控制***包括引导环(12)、转角步进电机(4)、竖直进给电机(3)、连杆(5)、数控稳压电源(13)、滑轨(8)、水槽(10)；所述引导环(12)安装在滑轨(8)内侧壁上并可沿滑轨(8)滑动，引导环(12)通过连杆(5)与所述转角步进电机(4)相连，且引导环(12)可通过连杆(5)随转角步进电机(4)转动；所述滑轨(8)安装在水槽(10)底部，所述转角步进电机(4)安装在所述竖直进给电机(3)上并通过所述控制卡片(2)与计算机(1)相连；

所述电解液循环***包括柔性胶管(6)、循环泵(15)、电解液(9)；所述循环泵(15)将电解液(9)输送至所述柔性胶管(6)中，所述柔性胶管(6)置于引导环(12)的正上方；所述柔性胶管(6)中的电解液(9)透过所述微孔(16)流向加工区域。

2.根据权利要求1所述的磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置，其特征在于，所述柔性胶管(6)的下方设置有工件(14)，工件(14)置于水槽(10)内。

3.根据权利要求2所述的磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置，其特征在于：所述工件(14)为非导磁材料，所述工具电极(20)为钢制锥形电极，所述辅助电极(11)为石墨电极，所述电解液(9)为碱性溶液，所述工具电极(20)需浸入电解液(9)，所述柔性胶管(6)直径为1～5mm且能够发生弹性形变，所述可调脉冲电源(7)电压0～60V，频率1～5000Hz，占空比0～100％。

4.根据权利要求3所述的磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置，其特征在于：所述万向节(21)包络工具电极(20)锥形底面，所述工具电极(20)可在所述万向节(21)中自由摆动。

5.根据权利要求1所述的磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置，其特征在于：所述引导环(12)包括左侧电磁装置(17)与右侧电磁装置(19)；所述左侧电磁装置(17)与右侧电磁装置(19)径向对称且由所述数控稳压电源(13)加载电压产生异性磁场，所述数控稳压电源(13)输出电压由计算机(1)控制。

6.根据权利要求1所述的磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置，其特征在于：所述计算机(1)通过所述控制卡片(2)控制所述转角步进电机(4)的转速和转角以及所述竖直进给电机(3)的进给速度。

7.根据权利要求3所述的磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置，其特征在于：所述工具电极(20)经过磁化处理，锥形底部和顶部磁性相反，锥度为1:2～1:8。

8.根据权利要求1至7任一项基于磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将可调脉冲电源(7)分别与工具电极(20)和辅助电极(11)相连并加载电压，将数控稳压电源(13)与引导环(12)相连，由计算机(1)控制数控稳压电源(13)输出电压；

步骤S2：工具电极(20)出现电化学放电蚀除材料，引导环(12)中的左侧电磁装置(17)与右侧电磁装置(19)由所述数控稳压电源(13)加载电压后产生异性磁场，引导环(12)随转角步进电机(4)转动，工具电极(20)因受到定向磁场力而产生摆角；

步骤S3：在计算机(1)控制下竖直进给电机(3)驱动柔性胶管(6)随工具电极(20)指向进给，工具电极(20)朝向摆动方向蚀除材料；

步骤S4：设立数据库，根据工件(14)材料不同设置不同的竖直进给速度，根据工具电极(20)的尺寸设置数控稳压电源(13)不同的输出电压；

步骤S5：在电化学放电加工过程中，所述循环泵(15)将水槽(10)中的电解液(9)输送至柔性胶管(6)中，电解液(9)透过微孔(16)流至加工区域。

9.根据权利要求8所述的磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置的方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述引导环(12)可在滑轨(8)中上下、周向滑动，与工具电极(20)保持同一高度。

10.根据权利要求9所述的磁场引导电解电火花复合加工弯孔装置的方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述柔性胶管(6)可以弹性变形从而向工件(14)弯孔方向进给。